液体弹珠微型反应器的设计构建及应用基础

赵志建，蒲源，王丹，

（1 北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室，北京 100029；2 北京化工大学教育部超重力工程研究中心，北京 100029）

液滴行为控制是物理、化学及工程科学等多学科交叉的研究热点[1]。液滴的驱动往往来自于相界面或自由面的能量梯度，关于利用能量梯度驱导液滴移动的基础理论研究，或是发展驱动微流体的响应信号已有较多报道，包括热、电、光等外部刺激[2-3]，通常需要特殊的设备或是精密的操控，依赖于相当复杂的配件比如电极、光学器件、光敏或热敏基体[4-5]。2001 年，Aussilous 和Quéré[6]首次报道了一类由微小液滴与外部非润湿性松散颗粒组成的稳定的液固复合体——液体弹珠（liquid marble，LM），疏水颗粒吸附在水滴表面形成完全不润湿的封闭单元，使得液体弹珠能在固体界面滚动而不润湿基底，具有一定的黏弹性，且能漂浮在水面上。液体弹珠的出现，为解决微量液体转移过程中的润湿性问题提出了新的思路。在传统微量液体输运过程中，由于界面表面张力的存在，液体会不可避免地润湿固体表面，因此输运过程会造成固体界面对溶液的污染。液体弹珠表面具有疏水颗粒包覆层，避免了内部液体和基体界面的接触，不仅可以减少对固体界面的黏附污染，而且通过滚动的形式转移物质可以大大减小表面摩擦力，提高液体转移的效率。液体弹珠制备简单、操控便捷，具有完美的非润湿性，对多种液体有普适性[7]。

近年来，液体弹珠作为微型反应器引起了国内外学者的广泛关注[8-12]。液体弹珠可以强化热量和质量传递，实现有限微元内液体反应的精确控制[11]，同时能够实现高效痕量分析，减少高毒、高费、高危试剂的用量，提高反应过程的安全性[12]。与其他微流体设备如微通道反应器相比[13]，液体弹珠微型反应器不受限于特定的通道，可以在多个方向上运输，还可以避免通道壁面吸附、污染等诸多问题，具有更加优异的可控性和更广泛的应用性，在血液检测、纳米颗粒合成、光化学聚合等领域展现出应用潜力[14-15]。

1 液体弹珠的性质

1.1 表层颗粒结构

液体弹珠是由微小液滴与外部非润湿性松散颗粒组成的稳定的液固复合体（图1），除了具有接触角大、摩擦力小的优点外，还具有固-液双属性，如弹性、聚并性等，因此也被称作“软固体（soft solid）”、“干水（dry water）”、“液体珍珠（liquid pearls）”。现今大多液体弹珠采用疏水粉末包覆液滴，在此基础上发展的亲水颗粒或是纳米纤维同样可以用作包覆层，并在寿命、强度等方面显示出优异的性质[16-17]。液体弹珠的稳定性随包覆层厚度或疏水颗粒润湿性的提高而减小，Nguyen等[18]研究发现50μm 以上的硅颗粒形成的是单层包覆，该尺寸以下的颗粒会形成多层包覆，因为小颗粒更容易迁移团聚，但微小颗粒更容易填充外层的空隙，有利于克服因颗粒间范德华力的减小而导致的包覆层的自发破碎。除此之外，对液体弹珠疏水颗粒进行了观察，对适用于不同需求的化学改性取得了广泛而深刻的研究。液体弹珠的包覆层可以呈现出从松散的单层到多层的结构。一般来说，液体弹珠涂层的厚度不均匀，由一层和多层颗粒组成[19]。从形态上看，液体弹珠壁面表面具有明显的粗糙度和孔隙性，由分散在液体表面的颗粒聚集物组成。粗糙多孔的结构，使得液体弹珠的壳层布满气体，该气体赋予了液体弹珠在液面上漂浮的能力。实验证实，液体弹珠被包覆的液体与固体和液体载体之间没有直接接触。然而，疏松多孔的壳层依旧可以透过气体，使其可以应用在气体传感和生物应用中。

图1 液体弹珠示意图

1.2 液体弹珠的表面张力

液体弹珠具有独特的包覆结构，内部液体不与外界基底直接接触，液体弹珠处于气-固-固三相接触界面，杨氏方程不再适用，因此液体弹珠的接触角和表面张力的表示需要新的方法和定义[20-22]。液体弹珠在小体积下呈现球形，随着体积的增加，其形状趋于扁平，因此Aussilous、Quéré[6]和Bormashenko 等[20]提出测量液滴的高度以简单定义液体弹珠的表面张力，其计算见式(1)。

式中，γeff为液体弹珠表面张力，mN/m；ρ为液体密度，kg/m3；H为液体弹珠的最高高度，m；g为重力加速度，m/s2。

液体弹珠的高度测量需要结合形状分析，其形状受重力和毛细力的共同作用，而液滴的形状分析往往取决于经验，因此该方法有极大的主观性[21]。Bormashenko等[20]以及Celestini和Kofman[22]发展了振动法测量液体弹珠的表面张力，将液体弹珠置于垂直振动的平台上，通过测量共振频率下弹珠的最大形变计算表面张力，计算见式(2)。

式中，γeff为液体弹珠表面张力，mN/m；f为共振频率，s-1；V为液滴体积，L；θ为接触角，（°）；h(θ)为表面张力系数，（°）；ρ为液体密度，kg/m3。

然而，由于液体弹珠表面张力的概念仍不清晰，液体弹珠从变形到坍塌经历多种状态，且液滴表面单层或多层的包覆都给实验带来不确定性，因此有学者指出为液体弹珠标定表面张力值可能从根上来说就是错误的[21]。尽管如此，关于液体弹珠对固体基底非浸润性能的标准仍需大量的探讨。

1.3 液体弹珠的弹性

液体弹珠的形状随所受压力的变化而改变，对微流体的宏观操控所引起的弹性形变也引起了广大学者的研究。Asare-asher等[23]以聚乙烯为疏水层制备液体弹珠，在对其逐渐挤压的过程中，发现液体弹珠的形变与所受压力成正比，且最大压缩比达30%，超过这一限度即破碎不能复原，其认为层内液体与固体基面的始终隔离是液体产生弹珠弹性的根本原因。Bormashenko[24]将两个分别由聚四氟乙烯和石松粉包覆的液体弹珠相互挤压（图2），该过程中最大的弹性变形度亦为30%，分析认为液体弹珠的弹性力主要有两个来源：一是液滴或液体弹珠在形变后比表面积增加，从而在表面张力的作用下有恢复初始形状的趋势，该现象普遍存在于液滴之中；二是源自液体弹珠包覆层的黏连性，该黏连性液体弹珠的弹性能可用式(3)估算。

式中，G为液体弹珠的弹性模量，MPa；R为液体弹珠的壳体半径，m；S为接触面积，m2；h为壳层厚度，m；ζ为变形层的径向位移，m；srel为碰撞过程中液体弹珠的相对位移，m。

1.4 液体弹珠的聚并性

相互挤压的液体弹珠间会表现出弹性作用，作用力超过其限度会引发液体弹珠的聚并，而液体弹珠的聚并可以进行液体的微观混合或是引入外来物质，在微流体反应器和混合器应用方面极具潜力。Fullarton等[13]选用聚四氟乙烯、聚乙烯、Ni和Ni+聚乙烯混合物分别作为包覆层对液体弹珠进行了比较，实验发现聚四氟乙烯的抗冲击能力最弱，却能为大体积液体弹珠提供蒸发保护，Ni 包覆的液体弹珠的抗冲击能力最强，但不利于层内液体的蒸发泄漏，该研究为液体弹珠聚并应用的材料选择提供了指导。Jin 等[25]研究了液体弹珠在重力作用下垂直聚并过程的形变（图3），实验发现液体弹珠的聚并需要提供足够的动能（即有足够的高度），在聚并的过程中，多孔包覆层首先接触，并在层内流动液体的驱使下迅速移向外围，从而形成液-液交界面，接着液体弹珠以类似水滴聚并的方式合为一体。此外，通过考察液体弹珠体积、撞击角度、撞击动能对聚并的影响，发现大体积液体弹珠有利于聚并过程的发生，且撞击动能越大，聚并速度越快[25]。液体弹珠聚并的控制研究至关重要，但壳体疏水层较强的机械强度给液体弹珠的聚并增加了难度。Chen等[26]采用超声悬浮的方法实现了对液体弹珠的非接触操控，超声波在液体弹珠表面所形成的梯度压力会使悬浮的液体弹珠之间产生吸引力，并最终导致液体弹珠间的聚并，该过程没有挤压形变的过程，为微化学反应的非接触操控提供了一种高效的思路。除了挤压力、重力、超声悬浮外，Liu等[27]利用直流电场实现了液体弹珠的聚并，实验中发现当电场力超过表面张力时，液体弹珠接触处会出现桥流，随后引发了液体弹珠的迅速聚并，且此法可用来实现一连串液体弹珠的聚并。

图3 液体弹珠撞击聚并序图[25]

2 液体弹珠的设计与制备

通常液体弹珠的制备需要两个条件[28]：①超疏水性的纳米/微米颗粒；②疏水颗粒均匀地包覆在液滴表面。制备液体弹珠最普遍的方法为滚涂法，即将液滴滴在疏水材料表面并进行滚动，使疏水颗粒均匀地包覆在液滴表面即可制得液体弹珠。Kido等[29]提出采用静电法制备液体弹珠，他们通过调控pH 制备不粘连的疏水颗粒，该颗粒可以在静电刺激下跳跃到液滴表面而包覆形成液体弹珠，该研究为液体弹珠的制作提供了一种新的思路。Castro等[30]利用3D 打印技术制备了简便的器件，实现了Janus 液体弹珠的连续制备，该过程设备低廉、操作便捷，可以并行放大生产，大大提高了液体弹珠的应用性。Bhosale 等[31]以蒸发-冷凝法制备了可以调控尺寸的液体弹珠（3～1000μm），其在可加热升温的容器中倒入所需包覆的液体，而在气-液界面漂浮一薄层疏水颗粒，蒸发后的蒸气遇疏水颗粒冷凝即被包覆为小液体弹珠，液体弹珠的尺寸可通过加热速率调控。

2.1 液体弹珠包覆层设计

为了拓展液体弹珠的应用潜力，国内外学者针对疏水包覆材料进行大量的研究和改性，包括液体弹珠的移动性能、包覆层与层内溶液的相容性、液体弹珠的质量、电荷、能量传输能力等。其中液体弹珠机械稳定性的探究是液体弹珠在试剂封装、储运、传感和微反应器等各种应用的先决条件[32]。已有大量的学者致力于阐明影响液体弹珠稳定性的因素，例如Zang等[8]探索了纳米颗粒疏水性对液体弹珠稳定性的影响，通过使用不同SiO2含量的疏水材料包覆液滴形成具有不同疏水性能的液体弹珠，并研究了其与表面张力的关系，液体弹珠的最大高度Hmax与毛细长度lc有关，动态表面张力计算见式(4)、式(5)。

式中，lc为毛细长度，m；θ为液体弹珠与基体的表观接触角，（°）；ρ为被包覆液体的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；γeff为表面张力，mN/m；Hmax为液体弹珠最大高度，m。

研究发现，疏水性的不同会引起液体弹珠在外界冲击下颗粒与液体表面的脱离以及不同液滴的波动，因而会造成液滴动态表面张力的差异，最终液体弹珠的稳定性随之变化，纳米颗粒的疏水性对液体弹珠的稳定性具有调控作用。此外，有研究工作表明纳米颗粒尺寸会显著影响液体弹珠的稳定性。例如Mceleney等[15]使用微米级颗粒进行研究，同样发现小颗粒疏水材料会形成更稳定的液体弹珠，因为小颗粒更容易漂浮于液体自由表面，从而使其有更高的表面覆盖率，因而其稳定性得以提高。Liu等[32]指出通常研究液体弹珠稳定性所用的纳米颗粒形状不规则，有较宽的粒径分布，而且微小的颗粒容易形成团簇体，因而实际上有可能是团聚的大颗粒促进了液体弹珠稳定性的提高。因此他们制备了尺寸均一的单分散聚苯乙烯颗粒，以此包覆成液体弹珠，研究了不同粒径液体弹珠破碎的临界压力，结果显示更大的纳米颗粒包覆的液体弹珠的稳定性更高，主要是因为更大的颗粒会产生更大的毛细力，因而会使液体弹珠的稳定性更高。Bhosale等[33]报道了纳米级颗粒包覆的液体弹珠比微米级颗粒包覆的液体弹珠具有更高的机械稳定性，因为更小的颗粒之间会形成更强的作用力，因此具有更高的稳定性。Qin等[34]以笼型聚倍半硅氧烷（polyhedral oligomeric silsesquioxane，POSS）接枝纳米金刚石（nanodiamonds，NDs），形成具有一定强度的液体弹珠，该弹珠可用镊子夹起、转移并没有明显形变，且可以减少内部液体的蒸发，提高液体弹珠的稳定性，而在内层液体完全蒸发后，包覆的颗粒形成褶皱层，表明颗粒之间存在强劲的作用力。

图4 空气中液体弹珠随时间变化的形态转换的示意图[36]

图5 通过将水液体弹珠封装入有机试剂中来减少蒸发的示意图[36]

图6 空气和十八烯中液体弹珠的直径和高度随时间变化[36]

图7 光学图像显示了两周后十八烯中液体弹珠（液体中的液体弹珠）和十八烯水滴（液体）之间的形态变化的比较[36]

图8 液体中液体弹珠的制备过程示意图[36]

液体弹珠壳层的多孔结构决定了其不能有效抑制因层内液体蒸发而引起的坍缩，不利于其稳定存在。针对此问题，Chin等[35]以疏水改性的氧化铝颗粒作为包覆层，利用液体弹珠的表层透气性，以发烟胶水在气-液界面的聚合反应对液体弹珠表面进行涂覆修饰，增加了液体弹珠的稳定性，有望应用于可生物降解的液体胶囊。Zhao等[36]提出了“液体中液体弹珠（liquid marbles in liquid，LML）”概念，使用有机溶剂对液体弹珠进行液封（图4～图10），即将液体弹珠浸在有机溶剂中，以此减少液体弹珠内部液体的蒸发。与传统的Pickering 乳液不同的是，LML 是以固体颗粒均匀地包裹水滴后，再转移到油相中，而Pickering 乳液是将固体颗粒作为稳定剂分散在混合溶液中。LML 不仅能以类Picking 乳液的形式稳定存在于液相中，同时可以便捷地转移至固体基底上（液体环境→气体环境）并稳定存在。该LML 策略使得液体弹珠的稳定寿命提高了1000 多倍且其他功能未受明显影响，且可利用水浴等简单的方式对液体弹珠进行快速可控地加热。液体弹珠在液体环境和气体环境转移的便捷性，可将其从液体中移出，使其暴露在空气中，实现快速降温。该研究拓宽了液体弹珠微反应器对需要精确控制和程序升温反应的应用，为设计毫米尺寸的长寿命、易控温的“液滴实验室”及其在微尺度流体精确操控和混合、传质与反应的定量分析提供了新的策略[36]。

图9 四种不同粉末浸没在十八烯中的液体弹珠的图像[36]

图10 液体弹珠在不同极性的有机试剂中的接触角[36]

2.2 液体弹珠的可操控性

疏水颗粒在液体弹珠表面形成非黏性颗粒/基体界面，从而降低了位移阻力，因而作为完美的非润湿性体系可以快速移动而不引起泄漏，是微量试剂储运的理想载体[10]。而液体弹珠的非接触远程操控不仅可以实现试剂的灵敏运输，还能作为反应提供有效的触发刺激，引起了广泛的关注[37-38]。

Paven 等[39]利用包覆材料的光热性，将光能转化为热能而加热临近的水域，水域局部温度的差异最终引起了马朗戈尼流动，该液体弹珠可负载390mg 的质量并以1.2cm/s 的速度行进。他们以炭黑、聚吡咯（PPy）等包覆液滴形成的液体弹珠均有相同的效果，因此利用光刺激响应的液体弹珠在微流体操控以及药物储运方面有相当的研究潜力。上述基于马朗戈尼流动对液体弹珠进行的驱动依赖于光热能量的转化，Bormashenko 等[40]研究了马朗戈尼流驱动下液体弹珠的自推动，该过程不需要外界刺激。包覆材料的多样导向性赋予了液体弹珠不同的驱动响应功能。磁性诱导驱动液体弹珠的构造简单、响应灵敏，受到了广泛的研究，在此基础上对磁性颗粒进行表面修饰则极大拓展了其实际应用。Zhang 等[37]以SiO2包覆Fe3O4纳米颗粒制备疏水磁性纳米颗粒，该材料制作的液体弹珠对磁场具有明显的响应。在此基础上以2-乙烯基吡啶-b-二甲基硅氧烷（P2VP-b-PDMS）进行修饰，利用2-乙烯基吡啶（P2VP）在不同pH下润湿性的变化，制备了具有pH 响应功能的磁性液体弹珠。通过调节目标溶液区域的pH 即可使液体弹珠破碎，从而实现液体弹珠内部液体的定点释放。除此之外，该液体弹珠可实现磁、pH 双响应下水性试剂的灵敏运输，并可根据需要触发化学反应[37]。

利用电场驱动液体弹珠移动和形变早有报道，最早由Aussillous 和Quéré[41]通过摩擦带电的聚四氟棒刺激，诱导液体弹珠产生移动、弹跳响应，而后，Bormashenko 等[42]研究了液体弹珠在外界电场下非线性的形变，液体弹珠可从球形变为长球形，并在撤销电场后恢复原形，而包覆石油后该液体弹珠也有同样的表现。但电响应液体弹珠大都依赖于疏水材料的固有性质，缺乏应用的普适性，Sun等[43]研究了一种简单普遍的使液滴带电的方法，其通过绝缘固体间的摩擦使基体带电，而液体滚过该带电表面时可以相应地带上正电荷或是负电荷，进而可以在外加电场的诱导下进行移动、合并以及分类等。液体弹珠多层包覆结构使得多余的颗粒可以填充到新的自由表面[15]，因此液体弹珠的分离很容易实现。其中，Zhao等[44]最早报道了利用外界刺激诱导液体弹珠合并，该液体弹珠不仅可以在磁场中移动，还可以实现磁场响应的液体弹珠的开关。此外，发展出了超声场[26]、CO2[45]刺激等方法诱导液体弹珠合并研究。此外，液体弹珠可以基于材料不同的化学性质以及溶液的物理性质等实现多种功能和应用，驱导液体弹珠响应的刺激多种多样，包括基于润湿性调控的pH 响应，通过调节颗粒间作用力的温度响应，基于润湿性改变的有机溶剂响应等。因此，针对不同用途对疏水包覆材料的改性设计大大拓展了液体弹珠的性能，可以预见，液体弹珠将在越来越多的领域发挥重要作用。

3 液体弹珠微型反应器

化学反应过程的微型化在有机合成和材料制备方面具有极大的优势，由于液体弹珠独特的微尺寸结构，其在微反应器的应用存在极大的拓展潜力。Miao 等[11]用疏水全氟癸基硫醇接枝在Ag纳米线上，实现了高催化活性Ag 包覆的液体弹珠微反应器。实验结果表明液体弹珠尺寸越小，其催化效果越明显，虽然该结果与催化剂用量的关系未被考虑，但其使用催化剂直接作为液体弹珠的包覆层的尝试具有首创性。液体弹珠应用于微反应器的研究多是集中外界物理场诱导反应的进程，Zhao等[46]设计了基于碳点的超小疏水颗粒包覆的液体弹珠（图11），该弹珠可在光、电、磁等外界物理刺激下产生驱动响应，作为微流体控制的有效手段和微尺寸效应的有效工具。同时探讨了液体弹珠作为微反应器应用的尺寸效应和在以不同的动能碰撞时对微反应的强化效果，研究发现，液体弹珠微反应器与传统反应器相比具有明显的强化效果，可以大大促进反应速率[图12(a)]和选择性[图12(b)、图12(c)]。此外，由于碳点的光转化功能，该液体弹珠还展现出作为微型光催化反应器的应用潜力。

图11 基于碳点的超小疏水颗粒包覆的液体弹珠表征[46]

磁性液体弹珠的研究应用较为普遍，磁场驱导下液体弹珠的响应十分灵敏，利用磁场控制液体弹珠的转移、实现弹珠的开合已有大量的报道。磁性液体弹珠在微反应器方面的应用方兴未艾，Han等[47]通过磁性液体弹珠在搅拌板上的旋转运动实现机械力到水动力的转变（图12），从而实现了内部流体的湍动，强化了内部溶液与表面包覆层的接触与更新速率。该液体弹珠最高转速可达到1300r/min，该液体弹珠无论是用作化学反应过程强化还是作为离心分离设备，都显示出令人满意的效果，且反应强化和离心力可通过改变转速来进行灵敏地调节。搅拌加热是化学反应中常用的强化方式，但现有的液体弹珠微反应器缺少加热升温机制，因此液体弹珠微反应器的研究大多是基于室温下的反应，而这只能为反应体系提供有限的活化能。Gao 等[48]用具有高效光热性能的石墨烯构筑可加热的液体弹珠微反应器，以532nm的激光作为热引发源，通过调节激光功率，实现了该反应器在21～135℃的可控调节。该反应器升温响应极快（约1s 便可达到平衡的加热温度），且移去激光源，将其暴露在空气中能在60s 内恢复至室温，具有较高的调控性和重复性。以NaBH4降解亚甲基蓝为例，证实该反应器可以实现对反应器内温度的有效调控。该研究拓宽了液体弹珠微反应器对需要精确控制和程序升温反应的应用。

图12 弹性液体弹珠的相关表征图[47]

众所周知，施以外加电流或电压可以控制生物及化学过程，而用微流体单元研究反应过程中的电子传输无疑具有广泛而深远的意义。如图13所示，Li等[49]研究了液体弹珠在电化学过程中的电子传输能力，其以液体弹珠微反应器中的丹尼尔电池为研究 对 象，ZnSO4（0.1mol/L） 和CuSO4（0.1mol/L）组装的液体弹珠能够产生约1.1V的电压，而将4个该反应器串流足以点亮一个LED 灯。此外用不同浓度的CuSO4溶液通过微型注射泵连续置换反应溶液，得到对应变化的电压，以此设计的液体弹珠可以对Cu2+浓度进行实时检测。

图13 液体弹珠丹尼尔电池实验装置[49]

光催化反应是催化反应中十分重要的一类反应，对于传统的光催化微反应器，需要复杂的制备工艺来提供高透光的微通道，而对于液体弹珠微反应器而言，由于外层纳米颗粒对光线的散射和吸收，光线很难透过进入内层液体。Wang 等[50]以稀土Yb3+、Er3+、Gd3+掺杂改性NaYF4，并以POSS 修饰进行疏水改性，该复合材料可以在红外光激发下发出绿色荧光，因此可以作为光子转换器把光引入液体弹珠内部。该液体弹珠成功应用于光催化微反应器，具有明显的效果，有望作为实现光动力治疗、药物筛查、药物可控运输释放等多种功能的有效工具[50]。

4 结语

液体弹珠因其独特的空间立体结构，在微流体控制和微化学/生物反应器方面展现出一定的应用前景，然而自液体弹珠问世二十年来仍未得到大规模应用，整体上该领域的研究工作缺乏系统性：①液体弹珠的研究往往针对单一液滴单元的功能化应用，对液滴弹珠微单元内部流体的基础流动、传递规律等方面的系统研究不足，缺乏理论指导；②液体弹珠微型反应器在单元尺寸和表面性质对反应的作用效果研究不足，不同液体弹珠间的作用行为仍不清晰，缺乏定量测算与理论模型，其批量化应用缺少系统的理论指导。尽管如此，液体弹珠技术作为一种新兴的微流体操控手段，减小了同基底的摩擦力，避免了基底的污染，且具有一定的强度，可作为独立的微流体反应单元。利用疏水颗粒的化学性质以及液体基底的物理性质，液体弹珠可实现光、电、声、磁等刺激响应的多种应用潜质。目前液体弹珠微反应器的研究热点主要是实现液体弹珠的远程操控以及微反应器内的反应强化。随着外层包裹颗粒与微流体单元基础流动和传递规律探索的加深，液体弹珠微反应器有望取得更加广泛地应用。